一種多鏈?zhǔn)焦柰兹蒎e方案

一種多鏈?zhǔn)焦柰兹蒎e方案

1tsv的應(yīng)用二維電路的發(fā)展（2d）中存在著越來越多的問題，比如工作量大、效率低、面積大等。而三維電路由于其高密度、高傳輸速率及低功耗的優(yōu)點逐漸受到人們的重視,人們對3D技術(shù)的研究也日趨深入。在3D芯片中不同層之間的互連是通過硅通孔(ThroughSiliconVia,TSV)來實現(xiàn),一根TSV代表一條數(shù)據(jù)鏈路用來傳輸信號。在TSV制作過程中,由于工藝水平的限制與偶然因素的影響,必然有一些TSV因失效而不能正常工作。如果存在失效TSV,就會導(dǎo)致與這個TSV相連的模塊失效,進(jìn)而導(dǎo)致芯片失效,增加了制造成本。為了確保電路的高可靠性,在設(shè)計中通常采用冗余技術(shù)來修復(fù)出現(xiàn)的故障。冗余技術(shù)包括有靜態(tài)冗余技術(shù)和動態(tài)冗余技術(shù),其中靜態(tài)冗余技術(shù)包括部件的冗余、數(shù)據(jù)通路的冗余及信息冗余等,在高性能計算機(jī)的可靠性設(shè)計中,廣泛地采用了靜態(tài)冗余技術(shù)23德-sic結(jié)構(gòu)與tsv失去效率的分析2.13tsv的類型所謂的3D芯片即多層的2D芯片堆疊而成的一種結(jié)構(gòu),根據(jù)每一層堆疊方式的不同,可以分為F2F(FacetoFace)、F2B(FacetoBack)及B2B(BacktoBack)三種類型制造TSV有多種技術(shù),例如:KOH溶液的濕法刻蝕、激光加工、深層等離子體刻蝕和光輔助電化學(xué)刻蝕技術(shù)2.2tsv平均概率根據(jù)相關(guān)研究表明,在現(xiàn)今的工藝水平下,一個單獨TSV的失效率大約在10F(S)為不采用任何冗余方案,整個3D-SIC中失效TSV數(shù)N￡2時的概率。即根據(jù)公式(1)和(2)計算了一個兩層3D-SIC內(nèi)當(dāng)TSV總數(shù)分別為500、1000、3000、5000及10000時的整個失效TSV數(shù)N￡2時的概率F(S),如表1所示。由表1可知,在一個3D-SIC內(nèi)失效TSV數(shù)N小于等于2的失效率都大于90%,因此假設(shè)在一個3D-SIC中失效TSV數(shù)最多為2,如果能夠修復(fù)這兩個失效的TSV,則可以保證90%以上的芯片都是完好的。33d-sic鏈?zhǔn)叫迯?fù)方案和vsc3.1層單元的連接該容錯結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中灰色粗線代表增加的冗余TSV,細(xì)黑線代表TSV,灰色代表劃分的TSV塊。在布圖規(guī)劃階段,為了充分利用芯片面積,將有些功能模塊之間的空白塊劃分為TSV塊,TSV塊中的TSV實現(xiàn)3D-SIC不同層單元的互連在發(fā)送端,每一個TSV與一個三態(tài)門互連,多個TSV互連在一起。A和B為一個TSV塊內(nèi)增加的兩個冗余TSV,同時增加了四個二選一多路選擇器,用來分別接收來自不同TSV鏈的信號。在接收端,所有的TSV與發(fā)送端的TSV是一一對應(yīng)的。在接收端的每一個TSV鏈中加入了一個控制器單元M,它的作用是當(dāng)M的輸入端(IN)收到一個高電平信號之后,輸出端(OUT)能保持輸出一個穩(wěn)定的電平。同時在接收端也加入了二極管用來阻止信號反向傳播,A和B為兩個冗余TSV。無論在發(fā)送端還是在接收端,二選一多路選擇器和三態(tài)門都是由特定的邏輯單元來控制。在不同階段多路選擇器和三態(tài)門接受不同的信號來確定工作模式,在電路正常工作時,邏輯單元對它們施加穩(wěn)定的信號以保證電路的正常工作。3.2tsv鏈長度的確定在本文方案中將一個3D-SIC內(nèi)的所有TSV劃分成多個TSV塊,每個TSV塊包含四個TSV鏈,每個TSV鏈由多個TSV構(gòu)成。則如何確定一個TSV鏈中包含的TSV個數(shù)呢?以TSV總數(shù)等于3000時為例來說明如何確定TSV鏈的長度。假設(shè)L_chain為一個TSV鏈長度,T_Chain為3D-SIC內(nèi)TSV鏈的個數(shù),則T_Chain=3000/L_chain。則失效TSV數(shù)N=2時該方案可以成功修復(fù)失效TSV的概率為:圖6展示了TSV總數(shù)為3000,一個TSV鏈長度(L_chain)從10~300變化時的整體修復(fù)率。為了達(dá)到95%以上的修復(fù)率,可以得到一個TSV鏈的長度L_chain為150。同理,當(dāng)TSV總數(shù)分別為500、1000、3000、5000、10000時,為了達(dá)到95%以上的修復(fù)率,根據(jù)公式(3)分別可以得到其對應(yīng)的TSV鏈長度為25、50、150、250和500。但由數(shù)學(xué)概率公式(1)可知,隨著TSV鏈個數(shù)增多時,每一條TSV鏈中出現(xiàn)失效TSV的概率就越大。為了保證每一條TSV鏈內(nèi)不出現(xiàn)失效TSV的概率大于99%(由于在每一個單獨TSV鏈中只能修復(fù)一個失效TSV,該值越大時出現(xiàn)失效TSV的概率就越低,修復(fù)失效TSV的概率就越高),根據(jù)公式(1)計算可知,每個TSV鏈的長度最大為100。例如,當(dāng)TSV總數(shù)為3000時,為了達(dá)到95%以上的修復(fù)率其對應(yīng)的TSV鏈長度為150,但為了防止TSV鏈過長所導(dǎo)致的每一個單獨TSV鏈中失效TSV概率的增加,最終確定每一個TSV鏈的長度為100。同理當(dāng)TSV總數(shù)分別為5000或10000時,其TSV鏈長度也為100。3.3多鏈容錯結(jié)構(gòu)的坍塌大修在該方案中,失效TSV的修復(fù)包含兩個階段:初始化階段和修復(fù)階段。3.3.1tsv塊的單元在初始化階段,首先在發(fā)送端對所有TSV端點施加一個低電平。如果該TSV塊中的TSV都沒有失效,則此時發(fā)送端的三態(tài)門都沒有被導(dǎo)通。該低電平經(jīng)過TSV到達(dá)接收端經(jīng)過二極管和三態(tài)門之后,使得接收端的二選一多路選擇器與輸入“0”相連的電路被截止,而與輸入“1”相連的電路保持為導(dǎo)通狀態(tài)。如果TSV塊中存在TSV失效,則此時發(fā)送端邏輯單元會產(chǎn)生一個高電平將與失效TSV互連的三態(tài)門導(dǎo)通,然后該高電平通過多路選擇器和冗余TSV(A或B)到達(dá)接收端的單元M。由于存在失效TSV,因此產(chǎn)生了一個高電平進(jìn)入到邏輯單元M,則M會產(chǎn)生一個高電平保持信號,使得與輸出端(OUT)相連的三態(tài)門被截止,這樣避免在接收端造成信號重疊。3.3.2優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)以失效TSV個數(shù)N為2為例說明本方案的修復(fù)過程。假定每一個TSV鏈中只有一個TSV失效。當(dāng)兩個失效TSV都在一個TSV塊時,此時令Tchain_u,Tchain_d,Tchain_l,Tchain_r分別代表上下左右四個TSV鏈,。則此時在一個TSV塊中,兩個失效TSV的分布共有六種情況:(Tchain_u,Tchain_d),(Tchain_u,Tchain_l),(Tchain_l,Tchain_r),(Tchain_d,Tchain_l),(Tchain_d,Tchain_r),(Tchain_l,Tchain_r)。以兩個失效TSV分布在(Tchain_u,Tchain_d)為例來說明本方案的修復(fù)過程,其他分布情況的修復(fù)過程同理。由初始化階段可知,當(dāng)兩個失效TSV分布在Tchain_u鏈和Tchain_d鏈時,在發(fā)送端Tchain_u鏈和Tchain_d鏈上各有一個高電平信號,此時電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。因為Tchain_l和Tchain_r中沒有失效TSV,所以它們的TSV鏈上沒有高電平信號。兩個高電平信號到達(dá)接收端之后,此時由于Tchain_l和Tchain_s中沒有失效TSV,由初始化過程可知,此時接收端的Tchain_l和Tchain_s鏈中的M輸出端口OUT沒有電平輸出。此時電路發(fā)送端與接收端的信號傳輸如圖7和圖8所示,就可以完成失效TSV的修復(fù)。4tsv修復(fù)率數(shù)據(jù)比較(1)整體修復(fù)率分析3D-SIC的整體修復(fù)率F_total的定義如下:其中F_fail_i為3D-SIC中失效TSV個數(shù)N為i時,不采用任何冗余方法時整個3D-SIC中TSV失效概率,Pi為當(dāng)失效TSV個數(shù)N為i時,成功修復(fù)失效TSV的概率。由本文方案可知,當(dāng)失效TSV個數(shù)F_fail_i為1時的失效TSV修復(fù)率P1為100%。由公式(1)和公式(3)分別計算出F_fail_0、F_fail_1、F_fail_2和P2。本文和參考文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了相關(guān)修復(fù)率數(shù)據(jù)比較。當(dāng)失效TSV數(shù)N為1時,失效TSV修復(fù)率都為100%。當(dāng)失效TSV數(shù)N為2時,兩個失效的TSV既可以同在一個TSV塊內(nèi),也可以分布在不同的TSV塊中。本容錯方案中單個TSV塊修復(fù)率F_block為:其中L_chain為一條TSV鏈的長度。因為在參考文獻(xiàn)[4]中,一個TSV塊是一條TSV鏈,因此當(dāng)兩個失效TSV同時在一個TSV鏈時就不能將其修復(fù),因此其修復(fù)率為0。表2是采用本方案TSV整體修復(fù)率、單個TSV塊修復(fù)率F_block和整體芯片修復(fù)率F_total的比較。其中增加冗余TSV是為了達(dá)到一定的修復(fù)率所增加的冗余TSV個數(shù),TSV塊修復(fù)率為當(dāng)失效TSV分布在同一TSV塊內(nèi)時的實效TSV修復(fù)率,增加冗余TSV個數(shù)減少率為采用本文方案時增加冗余TSV的個數(shù)與采用參考文獻(xiàn)[4]中增加的冗余TSV個數(shù)相比,所減少的冗余RSV百分比。從表2可以得出在相同級別整體修復(fù)率的水平下,本文方案可以有效地減少冗余TSV個數(shù)和提高單個TSV塊的修復(fù)率。(2)面積分析表3是分別采用本結(jié)構(gòu)、全部冗余和文獻(xiàn)[4]三種方案的面積開銷比較。其中全部冗余方案是指對每個單獨的TSV都對其進(jìn)行冗余,這樣可以有效地減少3D芯片的電路復(fù)雜性,但增加的冗余TSV個數(shù)較多。根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]中的元器件工藝庫標(biāo)準(zhǔn),一個TSV襯墊的面積為10μm